真空三極管誕生不到20年時(shí)，物理學(xué)家就開(kāi)始了開(kāi)發(fā)真空三極管接替者的嘗試，這種嘗試風(fēng)險(xiǎn)巨大。因?yàn)槿龢O管不僅使長(zhǎng)途電話和電影聲音成為可能，還推動(dòng)了整個(gè)商業(yè)無(wú)線電事業(yè)的發(fā)展，1929年，這個(gè)行業(yè)的價(jià)值超過(guò)10億美元。但是真空管耗電量大且極易受損，如果能找到一種更加堅(jiān)固、可靠和高效的三極管替代品，回報(bào)也將是巨大的。

因此，研究人員將目光投向了一種由半導(dǎo)體制成的三端器件，它可以將低功率信號(hào)輸入一個(gè)輸入端，并用它來(lái)控制另兩個(gè)端之間的大電流，從而放大原始信號(hào)。這種器件的基本原理稱為“場(chǎng)效應(yīng)”，描述的是電場(chǎng)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性的能力。得益于二極管和對(duì)半導(dǎo)體的相關(guān)研究，場(chǎng)效應(yīng)在當(dāng)時(shí)已經(jīng)廣為人知。

不過(guò)20多年過(guò)去，制造這樣一款器件對(duì)一些世界頂級(jí)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)仍是一個(gè)難以克服的挑戰(zhàn)。從1925年開(kāi)始，人們就提交了類(lèi)晶體管器件的專利申請(qǐng)，但第一個(gè)有記錄的可用晶體管是1947年底美國(guó)電話電報(bào)公司貝爾電話實(shí)驗(yàn)室制造的傳奇般的點(diǎn)接觸式器件。

雖然點(diǎn)接觸式晶體管是20世紀(jì)最重要的發(fā)明，但令人驚訝的是，對(duì)于它的實(shí)際工作原理卻沒(méi)有清晰、完整和權(quán)威的解釋?，F(xiàn)代更堅(jiān)固的結(jié)型晶體管和平面晶體管依賴的是半導(dǎo)體主體的物理特性，而不是第一個(gè)晶體管所利用的表面效應(yīng)。在學(xué)術(shù)上，對(duì)這種差距的關(guān)注相當(dāng)少。

點(diǎn)接觸式晶體管是一個(gè)看起來(lái)很笨拙的鍺、塑料和金箔的組合，頂部有一個(gè)彎曲的彈簧。它的發(fā)明者是說(shuō)話溫和的中西部理論家約翰?巴?。↗ohn Bardeen）和健談但“情緒有點(diǎn)反復(fù)無(wú)?！钡膶?shí)驗(yàn)主義者沃爾特?布拉頓（Walter Brattain）。兩人都曾在威廉?肖克利（William Shockley）手下工作，但后來(lái)他們出現(xiàn)了不和。1947年11月，一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題難住了巴丁和布拉頓。在他們使用的鍺半導(dǎo)體中，表面的電子層似乎阻擋了外加電場(chǎng)，阻止它穿透半導(dǎo)體和調(diào)節(jié)電流。沒(méi)有調(diào)制，就無(wú)法放大信號(hào)。

1947年末，他們突然想到了一個(gè)解決辦法，使用彎曲的彈簧輕輕地將兩片幾乎分不開(kāi)的金箔推到了小鍺板的表面。 教科書(shū)和大眾報(bào)道都傾向于忽略點(diǎn)接觸式晶體管的機(jī)制，選擇解釋其新近后代的工作原理。霍洛維茨（Horowitz）和希爾（Hill）合著的《電子學(xué)的藝術(shù)》是電子工程本科生的圣經(jīng)，但實(shí)際上，這本書(shū)的當(dāng)前版本根本沒(méi)有提到點(diǎn)接觸式晶體管，并錯(cuò)誤地宣稱結(jié)型晶體管是“1947年諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)發(fā)明”，從而掩蓋了點(diǎn)接觸式晶體管的存在。但1947年發(fā)明的晶體管是點(diǎn)接觸式晶體管；1948年肖克利才發(fā)明了結(jié)型晶體管。

因此，1956年約翰?巴丁的諾貝爾獎(jiǎng)演講是對(duì)點(diǎn)接觸式晶體管的最全面的解釋，這似乎是合理的。即便如此，我們?cè)陂喿x這篇演講內(nèi)容時(shí)也會(huì)感到，即便是發(fā)明者自己也可能對(duì)一些細(xì)節(jié)不理解。明尼蘇達(dá)大學(xué)查爾斯?巴貝奇科學(xué)技術(shù)史研究所前所長(zhǎng)托馬斯?米薩（Thomas Misa）說(shuō)：“點(diǎn)接觸式晶體管令很多人感到困惑?！?/p>

事實(shí)上，在巴丁演講后的第二年，在電力電子領(lǐng)域持續(xù)致力于開(kāi)創(chuàng)性工作的加州理工學(xué)院電氣工程學(xué)教授R.D.米德?tīng)柌剪斂耍≧.D. Middlebrook）寫(xiě)道：“由于該器件的三維特性，理論分析很困難，而且實(shí)際上，我們也尚未完全理解它的內(nèi)部操作。” 盡管如此，我們?nèi)匀豢梢越柚l(fā)展了75年的半導(dǎo)體理論來(lái)嘗試解釋。點(diǎn)接觸式晶體管是圍繞一塊拇指大小、帶有過(guò)多負(fù)電荷電子的n型鍺板構(gòu)建的。這塊鍺板經(jīng)過(guò)處理，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常薄的p型表面層，這意味著它有過(guò)多的正電荷。這些正電荷稱為“空穴”。它們實(shí)際上是在半導(dǎo)體原子之間移動(dòng)的電子留下的局部空位，就像真正的粒子一樣。

鍺板底部與電接地的電極連接，形成了晶體管的基極。接觸表面的兩條金箔形成了另外兩個(gè)電極，被稱為“發(fā)射極”和“集電極”。 以上就是其內(nèi)部布局。在操作過(guò)程中，對(duì)發(fā)射極施加不到1伏特的少量正電壓，對(duì)集電極施加更大的4到40伏特負(fù)電壓，均需參考接地的基極。p型層和n型板之間的界面形成了一個(gè)結(jié)，就像二極管中的結(jié)一樣：本質(zhì)上，結(jié)是一個(gè)勢(shì)壘，只允許電流朝著較低的電壓方向流動(dòng)。因此，電流可以從正極發(fā)射極流過(guò)勢(shì)壘，卻沒(méi)有電流可以流過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入集電極。

現(xiàn)在，再看看原子之間的情況。首先，我們會(huì)斷開(kāi)集電極，看看沒(méi)有它時(shí)發(fā)射極周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)什么情況。發(fā)射極將正電荷（空穴）注入p型層，然后正電荷開(kāi)始向基極移動(dòng),但不會(huì)沿直線移動(dòng)。p型薄層會(huì)迫使它們?cè)诖┻^(guò)勢(shì)壘進(jìn)入n型板之前向側(cè)邊散開(kāi)一段距離。想象一下慢慢把少量細(xì)粉倒在水面上，粉末最終會(huì)下沉，但首先會(huì)呈圓形散開(kāi)。

現(xiàn)在我們連接集電極。雖然它本身不能通過(guò)p-n結(jié)的勢(shì)壘吸收電流，但它較大的負(fù)電壓和尖角形狀確實(shí)會(huì)產(chǎn)生能夠穿透鍺的集中電場(chǎng)。集電極離發(fā)射極很近，而且?guī)ж?fù)電，所以它會(huì)開(kāi)始吸收許多從發(fā)射極擴(kuò)散開(kāi)來(lái)的空穴。這種電荷流會(huì)導(dǎo)致集電極下p-n結(jié)勢(shì)壘附近的空穴發(fā)生集中。這種集中能有效降低勢(shì)壘的“高度”,否則勢(shì)壘會(huì)阻止電流在集電極和基極之間流動(dòng)。隨著勢(shì)壘降低，電流開(kāi)始從基極流入集電極，且比發(fā)射極流入晶體管的電流大得多。 電流的大小取決于勢(shì)壘的高度。

發(fā)射極電壓的小幅下降或上升會(huì)導(dǎo)致勢(shì)壘上下波動(dòng)。因此，發(fā)射極電流的微小變化即可控制集電極的巨大變化，所以就出現(xiàn)了放大。（電子工程師們會(huì)注意到，與后來(lái)的晶體管相比，基極與發(fā)射極的功能是相反的，在后來(lái)的晶體管中，控制晶體管響應(yīng)的是基極而非發(fā)射極。） 它笨拙且脆弱，卻是一個(gè)半導(dǎo)體放大器，而且它的后代將改變世界，其發(fā)明者也知道這一點(diǎn)。1947年12月16日是決定性的一天，布拉頓想到了一個(gè)辦法，用一條金箔帶系住三角形塑料，微小的縫隙可以將發(fā)射極和集電極觸點(diǎn)分開(kāi)。這種配置帶來(lái)了可靠的功率增益，巴丁和布拉頓知道他們成功了。

那天晚上，布拉頓在拼車(chē)回家的路上告訴同伴，他剛剛完成了“一生中最重要的實(shí)驗(yàn)”，并讓他們發(fā)誓保守秘密。沉默寡言的巴丁也忍不住分享了這個(gè)消息。據(jù)說(shuō)，那天晚上，他在妻子簡(jiǎn)準(zhǔn)備晚餐時(shí)簡(jiǎn)單地說(shuō)了一句:“我們今天有些發(fā)現(xiàn)。”孩子們?cè)趶N房里蹦蹦跳跳，妻子回答說(shuō):“太好了，親愛(ài)的?！?晶體管終于出現(xiàn)了，但相當(dāng)不結(jié)實(shí)。發(fā)明者后來(lái)想到了在晶體管制造過(guò)程中通過(guò)大電流實(shí)現(xiàn)電成型集電極的想法。借助這項(xiàng)技術(shù)，他們能夠獲得更大的電流，而不是被嚴(yán)格限制在表面層內(nèi)的電流。不過(guò)，電成型有點(diǎn)碰運(yùn)氣。“他們會(huì)扔掉那些不起作用的?！泵姿_指出。

盡管如此，在美國(guó)電話電報(bào)公司的許可下，許多公司還是投產(chǎn)了點(diǎn)接觸式晶體管，1951年，美國(guó)電話電報(bào)公司自己的制造部門(mén)西部電氣也開(kāi)始了生產(chǎn)。點(diǎn)接觸式晶體管被用于助聽(tīng)器、振蕩器、電話路由設(shè)備、美國(guó)無(wú)線電公司（RCA）制造的實(shí)驗(yàn)性電視接收器，以及第一臺(tái)機(jī)載數(shù)字計(jì)算機(jī)Tradic等系統(tǒng)。事實(shí)上，點(diǎn)接觸式晶體管直到1966 年還在生產(chǎn)，部分原因是與替代品相比，它的速度更快。

貝爾實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)并不是唯一成功研發(fā)晶體管的團(tuán)隊(duì)。在巴黎東北部郊區(qū)的歐奈蘇布瓦市，赫伯特?馬塔雷（Herbert Mataré）和海因里希?韋爾克（Heinrich Welker）兩位德國(guó)物理學(xué)家也在嘗試制造三端半導(dǎo)體放大器。在為西屋公司的一家法國(guó)子公司工作時(shí)，他們繼續(xù)了馬塔雷在1944年為德國(guó)軍方開(kāi)發(fā)鍺和硅整流器時(shí)所做的非常有趣的觀察。1948年6月，兩人成功制造出一種可靠的點(diǎn)接觸式晶體管。

大約一個(gè)星期后，貝爾實(shí)驗(yàn)室終于在1948年6月30日的新聞發(fā)布會(huì)上公布了研發(fā)點(diǎn)接觸式晶體管的消息，這令馬塔雷和韋爾克大吃一驚。因?yàn)殡m然這兩款器件是在完全獨(dú)立和秘密狀態(tài)下開(kāi)發(fā)的，但卻幾乎完全相同。

晶體管的故事在此處發(fā)生了不尋常的轉(zhuǎn)折，其精妙設(shè)計(jì)令人驚嘆，其細(xì)節(jié)也給人帶來(lái)了煩惱。巴丁和布拉頓的老板威廉?肖克利非常憤怒，因?yàn)樗拿譀](méi)有出現(xiàn)在巴丁和布拉頓的晶體管原始專利申請(qǐng)書(shū)中。他確信巴丁和布拉頓將他關(guān)于半導(dǎo)體場(chǎng)應(yīng)用的理論用在了他們的工作器件中，卻沒(méi)有計(jì)算他的功勞。肖克利曾在1945年基于這些理論制造過(guò)一款晶體管，但沒(méi)有成功。

1947年12月底，在點(diǎn)接觸式晶體管取得初步成功不到兩周后，肖克利前往芝加哥參加美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)。新年前夕，他躲在酒店房間里，在嫉妒和憤怒情緒的強(qiáng)烈驅(qū)使下，開(kāi)始設(shè)計(jì)自己的晶體管。他在3天的時(shí)間里寫(xiě)了大約30頁(yè)筆記。月底時(shí)，他就完成了雙極結(jié)型晶體管（BJT）的基本設(shè)計(jì)，這種晶體管最終取代了點(diǎn)接觸式晶體管，并在20世紀(jì)70年代末之前一直占據(jù)主導(dǎo)地位。

雙極結(jié)型晶體管以肖克利深信的觀點(diǎn)為基礎(chǔ)，即電荷可以而且應(yīng)該流經(jīng)塊狀半導(dǎo)體，而不是流經(jīng)其表面的薄層。該器件由三明治一樣的3個(gè)半導(dǎo)體層組成：發(fā)射器、中間的基極，以及集電極。它們交替摻雜，因此有兩個(gè)版本：稱為NPN的n型/p型/n型，以及稱為PNP的p型/n型/p型。

雙極結(jié)型晶體管依賴的原理與點(diǎn)接觸式晶體管基本相同，但它使用了兩個(gè)p-n結(jié)而非一個(gè)。用作放大器時(shí)，施加給基極的正電壓允許小電流在基極和發(fā)射極之間流動(dòng)，這反過(guò)來(lái)控制了集電極和發(fā)射極間的大電流。 以NPN器件為例。基極是p型，所以有多余的空穴。但是它很薄，且摻雜較輕，所以空穴相對(duì)較少。極小一部分的流入電子與這些空穴結(jié)合，并從循環(huán)中移除，絕大部分（超過(guò)97%）電子則繼續(xù)流經(jīng)薄薄的基極，進(jìn)入集電極，形成強(qiáng)大的電流。

那些與空穴結(jié)合的少數(shù)電子必須從基極排出，才能保持其p型性質(zhì)，并承載通過(guò)它的強(qiáng)電流。移除“被俘獲”的電子是通過(guò)流出基極的相對(duì)較小的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。涓涓細(xì)流使更強(qiáng)的電流流入集電極。因此，實(shí)際上，小基極電流控制著高功率集電極電路。

電場(chǎng)開(kāi)始發(fā)揮作用，但它們不會(huì)調(diào)節(jié)電流，而早期的理論家認(rèn)為，這種器件要發(fā)揮作用，就必須調(diào)節(jié)電流。其中的要點(diǎn)是：耗盡區(qū)跨越了雙極結(jié)型晶體管的兩個(gè)p-n結(jié)，電子和空穴在耗盡區(qū)結(jié)合，且那里的移動(dòng)電荷載流子相對(duì)較少。施加給結(jié)的電壓會(huì)在每個(gè)結(jié)處形成電場(chǎng)，將電荷推過(guò)這些區(qū)域。這些電場(chǎng)會(huì)讓電子從發(fā)射極一直流過(guò)基極，進(jìn)入集電極。

在雙極結(jié)型晶體管中，“外加電場(chǎng)會(huì)影響載流子密度，但因?yàn)檫@種影響是指數(shù)級(jí)的，所以只需要一點(diǎn)點(diǎn)就可以產(chǎn)生大量的擴(kuò)散電流?！备鐐惐葋喆髮W(xué)電氣工程系主任揚(yáng)尼斯?“約翰”?基米西斯（Ioannis“John”Kymissis）解釋道。 雙極結(jié)型晶體管比點(diǎn)接觸式晶體管更加堅(jiān)固和可靠，正是這些特性鑄就了它的偉大，但還需要一段時(shí)間才能證明。從20世紀(jì)60年代初首次出現(xiàn)，到20世紀(jì)70年代末被金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）取代，雙極結(jié)型晶體管一直被用于制造集成電路。

事實(shí)上，正是這些場(chǎng)效應(yīng)晶體管（首先是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，然后是MOSFET）最終實(shí)現(xiàn)了幾十年來(lái)基于場(chǎng)效應(yīng)運(yùn)行的三端半導(dǎo)體器件夢(mèng)想，而這正是肖克利最初的構(gòu)想。 20世紀(jì)50年代初，人們很難想象會(huì)有這樣輝煌的未來(lái)，當(dāng)時(shí)美國(guó)電話電報(bào)公司等正在努力尋找有效且實(shí)用的方法來(lái)制造新的雙極結(jié)型晶體管。肖克利本人繼續(xù)投入到硅研究領(lǐng)域。他搬到了帕洛阿爾托，并于1956年創(chuàng)立了一家公司，引領(lǐng)了電子半導(dǎo)體從鍺到硅的轉(zhuǎn)變，促成了硅谷的興起。其公司的員工后來(lái)創(chuàng)立了仙童半導(dǎo)體公司，然后是英特爾公司。





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